MATLAB與系統(tǒng)仿真13

1、MATLAB與系統(tǒng)仿真 機(jī)電工程學(xué)院 勾燕潔 二一四年秋 第八章 Simulink的基本使用 Simulink是MATLAB的重要組成部分，用來進(jìn)行 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析。它不但支持線性系統(tǒng) 仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，既可以進(jìn)行連續(xù)系 統(tǒng)仿真，也可以進(jìn)行離散系統(tǒng)仿真或者二者的混合 仿真，同時(shí)支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)仿真。 Simulink提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和 數(shù)值算法、啟動(dòng)仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進(jìn)行仿真、設(shè)置 不同的輸出方式來觀察仿真結(jié)果等功能。 8.1 Simulink簡介 Simulink是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。用模是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜

2、合分析的集成軟件包。用模 塊組合的方法來使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，特別對(duì)塊組合的方法來使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，特別對(duì) 于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。Simulink模型可以用來模擬線性、模型可以用來模擬線性、 非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)，單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。也就是非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)，單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。也就是 說，它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。說，它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 在在Simulink提供的圖形用戶界面上，只需鼠標(biāo)的簡單拖拉操作即可構(gòu)

3、造出提供的圖形用戶界面上，只需鼠標(biāo)的簡單拖拉操作即可構(gòu)造出 復(fù)雜的仿真模型。它以圖塊方式呈現(xiàn)，采用分層結(jié)構(gòu)，既適用于自上而下復(fù)雜的仿真模型。它以圖塊方式呈現(xiàn)，采用分層結(jié)構(gòu)，既適用于自上而下 （Top-down）的設(shè)計(jì)流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于）的設(shè)計(jì)流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于 自下而上（自下而上（Bottum-up）逆程設(shè)計(jì)。這不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，）逆程設(shè)計(jì)。這不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)， 而且能讓用戶清晰地了解各器件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之而且能讓用戶清晰地了解各器件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分

4、之 間的交互影響。間的交互影響。 在在Simulink環(huán)境中，用戶將擺脫理論演繹時(shí)必須做理想化假設(shè)的無奈，觀環(huán)境中，用戶將擺脫理論演繹時(shí)必須做理想化假設(shè)的無奈，觀 察到現(xiàn)實(shí)世界中摩擦、風(fēng)阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機(jī)因素察到現(xiàn)實(shí)世界中摩擦、風(fēng)阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機(jī)因素 對(duì)系統(tǒng)行為的影響。在對(duì)系統(tǒng)行為的影響。在Simulink環(huán)境中，用戶可以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的環(huán)境中，用戶可以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的 參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)行為的變化。由于參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)行為的變化。由于Simulink環(huán)境使用戶擺脫了深?yuàn)W數(shù)學(xué)推環(huán)境使用戶擺脫了深?yuàn)W數(shù)學(xué)推 演的壓力和繁瑣編程的困

5、擾，因此用戶會(huì)產(chǎn)生濃厚的探索興趣，引發(fā)活躍的思演的壓力和繁瑣編程的困擾，因此用戶會(huì)產(chǎn)生濃厚的探索興趣，引發(fā)活躍的思 維，感悟出新的真諦。維，感悟出新的真諦。 1Simulink的啟動(dòng) 在MATLAB的命令窗口輸入simulink或單擊MATLAB 主窗口工具欄上的Simulink命令按鈕即可啟動(dòng)Simulink。 Simulink啟動(dòng)后會(huì)顯示Simulink模塊庫瀏覽器(Simulink Library Browser)窗口。 8.1.1 Simulink8.1.1 Simulink的啟動(dòng)與退出的啟動(dòng)與退出 在MATLAB主窗口File菜單中選擇New菜單項(xiàng)下的 Model命令，在出現(xiàn)Simu

6、link模塊庫瀏覽器的同時(shí)，還會(huì) 出現(xiàn)一個(gè)名字為untitled的模型編輯窗口。在啟動(dòng) Simulink模塊庫瀏覽器后再單擊其工具欄中的Create a new model命令按鈕，也會(huì)彈出模型編輯窗口。利用模 型編輯窗口，可以通過鼠標(biāo)的拖放操作創(chuàng)建一個(gè)模型。 一個(gè)簡單的例子一個(gè)簡單的例子 例 正弦波的輸出 模型創(chuàng)建完成后，從模型編輯窗口的File菜單項(xiàng)中選 擇Save或Save As命令，可以將模型以模型文件的格式(擴(kuò)展 名為.mdl)存入磁盤。 如果要對(duì)一個(gè)已經(jīng)存在的模型文件進(jìn)行編輯修改，需 要打開該模型文件。在MATLAB命令窗口直接輸入模型文 件名(不要加擴(kuò)展名.mdl)。在模塊庫瀏覽

7、器窗口或模型編 輯窗口的File菜單中選擇Open命令，然后選擇或輸入欲編 輯模型的名字，也能打開已經(jīng)存在的模型文件。另外，單 擊模塊庫瀏覽器窗口工具欄上的Open a model命令按鈕或 模型編輯窗口工具欄上的Open model命令按鈕，也能打開 已經(jīng)存在的模型文件。 2Simulink的退出 要退出Simulink，只要關(guān)閉所有模型編輯窗口和Simulink 模塊庫瀏覽器窗口即可。 Simulink的模塊庫提供了大量模塊。單擊模塊庫瀏 覽器中Simulink前面的“+”號(hào)，將看到Simulink模塊 庫中包含的子模塊庫，單擊所需要的子模塊庫，在右 邊的窗口中將看到相應(yīng)的基本模塊，選擇所

8、需基本模 塊，可用鼠標(biāo)將其拖到模型編輯窗口。同樣，在模塊 庫瀏覽器左側(cè)的Simulink欄上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的 快捷菜單中單擊Open the Simulink Libray 命令， 將打開Simulink基本模塊庫窗口。單擊其中的子模塊庫 圖標(biāo)，打開子模塊庫，找到仿真所需要的基本模塊。 8.1.2 Simulink8.1.2 Simulink的基本模塊的基本模塊 信號(hào)源模塊組信號(hào)源模塊組 (Sources) Sine Wave：產(chǎn)生幅值、頻率可設(shè)置的正弦波信號(hào)。 雙擊圖標(biāo) ，彈出正弦波的參數(shù)設(shè)置框圖。圖中 參數(shù)為Simulink默認(rèn)值，用戶可根據(jù)需要對(duì)這些參 數(shù)重新設(shè)置。 幅值、頻率為2

9、，基準(zhǔn)為 0.5，其波形如下圖所示： Step：產(chǎn)生幅值、階躍時(shí)間可設(shè)置的階躍信號(hào)。 雙擊圖標(biāo) ,彈出階躍信號(hào)的參數(shù)設(shè)置框圖。圖 中參數(shù)為Simulink默認(rèn)值。 當(dāng)設(shè)置幅值為0.8,階躍時(shí) 間為1秒時(shí)，階躍波形如下 圖所示： 連續(xù)模塊組連續(xù)模塊組(Continuous) 離散模塊組離散模塊組 (Discrete) 數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組 (Math Operations) ：加法器加法器。 該模塊為求和裝置。求和器形狀，輸入信號(hào)個(gè) 數(shù)和符號(hào)可設(shè)置，如右邊框圖。若設(shè)置如框圖。 則模塊顯示為： ：符號(hào)函數(shù)符號(hào)函數(shù)。 該模塊的輸出為輸入信號(hào)的符號(hào)。下圖為對(duì)正 弦信號(hào)經(jīng)符號(hào)運(yùn)算后的波形。 ：實(shí)

10、現(xiàn)一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)。 右圖為該函數(shù)的參數(shù)設(shè)置框。點(diǎn)擊函數(shù)設(shè)置的下拉 窗口，可選擇所需要的函數(shù)。選定函數(shù)后，該模塊 圖標(biāo)將顯示所選函數(shù)。如選擇“Square”，則模塊 圖標(biāo)變?yōu)椋?輸出池模塊組輸出池模塊組 (Sinks) 該庫包含了顯示和寫模塊輸出的模塊。雙擊 即彈出該庫的模塊圖： ：數(shù)字表，顯示指定模塊的輸出數(shù)值。 ：X-Y繪圖儀用同一圖 形窗口，顯示X-Y坐標(biāo)的圖 形(需先在參數(shù)對(duì)話框中設(shè) 置每個(gè)坐標(biāo)的變化范圍)， 當(dāng)X、Y分別為正、余弦信 號(hào)時(shí)，其顯示圖形如下： ：示波器示波器。顯示在仿真過程產(chǎn)生的信號(hào)波形。 雙擊該圖標(biāo),彈出示波器窗如下圖所示： 分別管理X-Y、 X和Y軸向變焦 取當(dāng)前窗中信

11、號(hào) 最大、最小值為 縱坐標(biāo)的上下限 把當(dāng)前軸的設(shè)置 保存為該示波器 的缺省設(shè)置 打開示波器 屬性對(duì)話框 設(shè)置為浮動(dòng)示 波器 設(shè)置Y軸個(gè)數(shù) 設(shè)置顯示的時(shí)間范圍 選擇軸的標(biāo)注方法 確定顯示頻度(每隔n-1個(gè) 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 顯 示 一 次 ) 確定顯示點(diǎn)的時(shí)間間隔(缺 省 為 0 表 示 連 續(xù) 顯 示 ) 示波器屬性對(duì)話框General頁 示波器屬性對(duì)話框Data history頁 設(shè)定緩沖區(qū)接受 數(shù)據(jù)的長度,勾選 為缺省狀態(tài),其值 為5000 確定示波器數(shù)據(jù) 是 否 保 存 到 MATLAB工作空 間。若勾選則為 保存，且需確定 變量名和保存格 式(缺省時(shí),不被 勾選) 信號(hào)路線發(fā)送模塊組信號(hào)路線

12、發(fā)送模塊組 (Signal Routing) 斷續(xù)模塊組斷續(xù)模塊組(Discontinuous) 其他模塊組其他模塊組 Simulink模型有以下幾層含義：在視覺上表現(xiàn)為直觀的 方框圖；在文件上是擴(kuò)展名為MDL的ASCII代碼；在數(shù)學(xué) 上體現(xiàn)了一組微分方程或差分方程；在行為上模擬了物理 器件構(gòu)成的實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性狀。 從宏觀角度看，Simulink模型通常包含3種“組件”： 信源（Source），系統(tǒng)（System）以及信宿（Sink）。 8.2 Simulink模型的建立與仿真 8.2.1 Simulink8.2.1 Simulink模型是什么模型是什么 8.2.2 8.2.2 模型窗口的建

13、立和保存模型窗口的建立和保存 8.2.3 8.2.3 模塊操作模塊操作 模塊創(chuàng)建和選定 模塊復(fù)制、移動(dòng)和刪除 模塊縮放、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn) 模塊名操作 模塊的陰影和顏色 向量化模塊和標(biāo)量擴(kuò)展 Simulink中幾乎所有模塊都是向量化模塊（Blocks vectorized）。向量化模塊輸入量和輸出量之間的關(guān)系是 符合數(shù)學(xué)規(guī)則的向量關(guān)系y=F(x1,x2,xn)，式中x1,x2,xn 可以是標(biāo)量或向量，但如果是向量必須長度相同。 Simulink中幾乎所有模 塊的參數(shù)都允許用戶進(jìn)行設(shè) 置。雙擊要設(shè)置的模塊或在 模塊上按鼠標(biāo)右鍵并在彈出 的快捷菜單中選擇相應(yīng)模塊 的參數(shù)設(shè)置命令就會(huì)彈出模 塊參數(shù)對(duì)話框。該

14、對(duì)話框分 兩部分，上面部分是模塊功 能說明，下面部分用來進(jìn)行 模塊參數(shù)設(shè)置。 模塊的參數(shù)設(shè)置 信號(hào)線操作 Simulink模型中的信號(hào)總是由模塊之間的連線攜帶并傳送 的，因此模塊間的連線稱為信號(hào)線（Signal lines）。在鏈接模 塊時(shí)，要注意模塊的輸入、輸出端和各模塊間的信號(hào)流向。在 Simulink中，模塊總是由輸入口接收信號(hào)，由輸出口發(fā)送信號(hào)。 例 建立一個(gè)慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的仿真模型。 (1) 在MATLAB主菜單中，選擇File菜單中New菜單項(xiàng)的 Model命令，打開一個(gè)模型編輯窗口。 (2) 將所需模塊添加到模型中。 (3) 設(shè)置模塊參數(shù)并連接各個(gè)模塊組成仿真模型。 設(shè)置模塊參

15、數(shù)后， 用連線將各個(gè)模塊連 接起來組成系統(tǒng)仿真 模型。模型建好后， 從模型編輯窗口的 File菜單中選擇Save 或Save as命令將它存 盤。 (1) Solver選項(xiàng)卡：用于設(shè)置仿真起始和停止時(shí)間，選擇微分方程求解算法并 為其規(guī)定參數(shù)，以及選擇某些輸出選項(xiàng)。 (2) Workspace I/O選項(xiàng)卡：用于管理對(duì)MATLAB工作空間的輸入和輸出。 8.2.4 8.2.4 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 (3) Diagnostics選項(xiàng)卡：用于設(shè)置在 仿真過程中出現(xiàn)各類錯(cuò)誤時(shí)發(fā)出 警告的等級(jí)。 (4) Advanced選項(xiàng)卡：用于設(shè)置一些 高級(jí)仿真屬性，更好地控制仿真 過程。 (5) Real-time

16、 Workshop選項(xiàng)卡：用 于設(shè)置若干實(shí)時(shí)工具中的參數(shù)。 如果沒有安裝實(shí)時(shí)工具箱，則將 不出現(xiàn)該選項(xiàng)卡。 8.3 Simulink模型仿真實(shí)例 用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真的步驟如下： (1) 建立系統(tǒng)仿真模型，這包括添加模塊、設(shè)置模塊 參數(shù)以及進(jìn)行模塊連接等操作。 (2) 設(shè)置仿真參數(shù)。 (3) 啟動(dòng)仿真并分析仿真結(jié)果。 線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 離散時(shí)間系統(tǒng) 離散-連續(xù)混合系統(tǒng) 例1 調(diào)用工作空間中的信號(hào)矩陣作為模型輸入。 source.m function TU=source(T0,N0,K) t=linspace(0,K*T0,K*N0+1); %T0每段時(shí)長，N0每段時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù) N=

17、length(t); u1=t(1:(N0+1).2; %分段 u2=(t(N0+2):(2*N0+1)-2*T0).2; %T0即T u3(1:(N-(2*N0+2)+1)=0; u=u1,u2,u3; %組合 TU=t,u; (1) 編寫一個(gè)產(chǎn)生信號(hào)矩陣的編寫一個(gè)產(chǎn)生信號(hào)矩陣的MM函數(shù)文件函數(shù)文件 (2) 構(gòu)造簡單的接受信號(hào)用的實(shí)驗(yàn)?zāi)?gòu)造簡單的接受信號(hào)用的實(shí)驗(yàn)?zāi)?型。型。 信號(hào)源選擇信號(hào)源選擇siminsimin模塊，作用為模塊，作用為 從工作空間中指定的矩陣或構(gòu)架中從工作空間中指定的矩陣或構(gòu)架中 讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)。 (3) 模塊參數(shù)的設(shè)置。模塊參數(shù)的設(shè)置。 雙擊信號(hào)源模塊，在設(shè)置框中雙

18、擊信號(hào)源模塊，在設(shè)置框中 DataData欄中填寫欄中填寫TUTU。 (4) 在命令窗口運(yùn)行以下指令，工作在命令窗口運(yùn)行以下指令，工作 空間中產(chǎn)生空間中產(chǎn)生TUTU信號(hào)矩陣：信號(hào)矩陣： TU=source(1,100,4); (5) 仿真，然后雙擊示波器查看信號(hào)。仿真，然后雙擊示波器查看信號(hào)。 例2 示波器應(yīng)用示例。Simulink仿真模型如左圖所示，示 波器輸入為3（Y軸個(gè)數(shù)為3）。右圖為該示波器顯示的三 路輸入信號(hào)的波形. 例3 利用Simulink求解微分方程x=sin(t)，x(0)=0。 例4 復(fù)位積分器的使用。 (1) 構(gòu)造一個(gè)如圖所示的系統(tǒng)。構(gòu)造一個(gè)如圖所示的系統(tǒng)。 (2) 構(gòu)造復(fù)位積分器。構(gòu)造復(fù)位積分器。 雙擊積分模塊，在雙擊積分模塊，在External External resetreset外復(fù)位下拉框中選擇外復(fù)位下拉框中選擇risingrising 項(xiàng)，模塊會(huì)呈現(xiàn)兩個(gè)輸入端口。項(xiàng)，模塊會(huì)呈現(xiàn)兩個(gè)輸入端口。 下端口旁的符號(hào)表示：此端口下端口旁的符號(hào)表示：此端口 信號(hào)由負(fù)變正的瞬間，該積分信號(hào)由負(fù)變正的瞬間，該積分 器被強(qiáng)迫置零。器被強(qiáng)迫置零。 (3) 將